1.本发明涉及信息应用技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的维修训练系统及方法。


背景技术：

2.虚拟维修技术是虚拟现实技术在装备维修过程中的应用，可以突破实装操作在空间和时间上的限制，在可视化的虚拟维修操作环境中，实现逼真的装备数字孪生拆装、故障维修等操作。虚拟维修能有效地验证装备装配、分解、检测和操作的正确性；通过对反复孪生维修训练，促进受训人员迅速提高维修水平，成为维修领域很重要的信息化手段方法。
3.国内外在先进的虚拟现实技术和强大资金保障的支撑下，航空航天、汽车制造、军事武器装备等领域的虚拟维修训练的真实度已经达到了很高的水平，并呈现出广泛的可行性、良好的效益和广阔的应用前景，形成了庞大的信息产业链条。但是目前存在的维修训练系统与一线车辆装备维修保障训练结合不紧密，重视结构拆装需求但对于装备实际服役过程中维修训练保障环节培训较少，影响了装备日常维修保障和快速抢修能力的提升。同时维修工具难以实施检测、虚拟维修训练过程与维修实际不符合的难题影响了虚拟维修训练的进一步深化。
4.近年来，数字孪生技术是当前信息技术与工业融合应用的研究热点。数字孪生技术典型应用是产品远程运维，通过在产品中嵌入传感器，采集产品的关键运行参数并传回产品运维中心，通过对数据进行处理分析，实时监测和预测产品状态，根据产品状态及时组织维护，降低产品故障和停机风险。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于数字孪生的维修训练系统及方法，采用数字孪生技术，建立半实物维修训练系统，通过融合理论考核和维修训练资源，拓展维修训练培训方法手段，为提升维修训练效果提供技术支持。
6.为了实现以上目的，本发明提供了一种基于数字孪生的维修训练系统，包括理论学习子系统、数字孪生训练子系统、训练考核子系统和孪生数据子系统；
7.所述理论学习子系统包括理论学习管理模块和课程管理模块，所述理论学习管理模块用于课件管理、教材管理、素材管理和统计分析；所述课程管理模块用于新建课程、修改课程、删除课程和课程查询；
8.所述数字孪生训练子系统包括孪生结构拆装训练模块、原理交互展示模块、和孪生维护保养训练模块，所述孪生结构拆装训练模块用于根据拆装内容选择相应的工具对待维修目标进行拆装训练；所述原理交互展示模块用于可交互地展示待维修目标的结构和原理；所述孪生维护保养训练模块用于对系统预置的典型故障进行故障现象反应，并根据相应故障处理流程保养的内容选择相应的工具并运用进行处置；
9.所述训练考核子系统包括考试管理模块、题库管理模块、数字孪生训练考核模块
和统计分析模块，所述考试管理模块用于创建考试、配置试卷、发布考试和考试记录；所述题库管理模块用于添加试题、删除试题、编辑试题、查询试题、批量导入试题和组卷；所述数字孪生训练考核模块用于根据维修训练过程完成情况打分；所述统计分析模块用于学习统计、成绩统计和训练统计；
10.所述孪生数据子系统包括用户数据管理模块、孪生模型库、基本场景库、基本工具库和态势资源监测模块，所述用户数据管理模块用于成绩记录和学习记录，且具备用户管理、密码修改和权限管理；所述孪生模型库包括传动系统模型、行驶系统模型、转向系统模型、制动系统模型、电气系统模型和动力系统模型；所述基本场景库包括实际厂房和作业场地模型；所述基本工具库包括辅助维修配套设备工具类模型；所述态势资源监测模块用于通过态势感知设备获取实景实时监测数据。
11.进一步地，所述理论学习子系统采用浏览器/服务端和客户端/服务端相结合的模式，浏览器/服务端用于学员随时随地在可用访问理论学习资源服务器的网络环境下，通过web浏览器学习系统的学习素材资源。
12.进一步地，所述课件管理支持输入课件信息完成对课件的增删改查；所述教材管理支持输入教材信息完成对教材进行增删查改；所述素材管理支持输入素材信息完成对素材进行增删查改；所述统计分析支持对学员的培训与学习数据进行统计分析，将学员以个人或班组的图表形式进行统计展现。
13.进一步地，所述数字孪生训练子系统包括示教、练习和考核模式，在示教模式中，主机作为授课主机发起授课模式；在练习模式中，进行自主训练和团队协同训练；在考核模式中，各被考核单机接受考核任务并记录训练考核过程，考核结束后，信息存入数字孪生训练考核模块数据库。
14.进一步地，所述孪生结构拆装训练模块采用vr、ar、mr、pc或移动终端形式对底盘进行拆装训练，包括自由学习模式、引导训练模式和训练考核模式，根据拆装内容选择相应的工具，具备多种工具的选择和运用，并能够进行单人训练或多人协同训练；
15.所述原理交互展示模块采用vr、ar、mr、pc或移动终端形式使用结构与原理展示功能，能够可交互地展示底盘整体、分系统、总成和典型部件的结构与相互位置关系，并通过交互式三维动画展示底盘各系统、各总成与部件的工作原理；
16.所述孪生维护保养训练模块根据重型车辆三级维护保养任务要求，采用vr、ar、mr、pc或移动终端形式用于对系统预置的典型故障，进行故障现象反应，并根据相应故障处理流程保养的内容选择相应的工具并运用进行处置，并能够进行单人训练及多人协同训练。
17.进一步地，所述创建考试包括输入考试名称和选择考试班级，完成考试信息的创建；所述配置试卷包括选择在题库管理模块中已创建好的试卷进行关联配置；所述发布考试包括选择考试日期、试卷和答卷时长，发布成功后将考试信息下推到学员端；所述考试记录包括查看到当前教员已创建的所有考试信息；
18.所述添加试题支持对试题基础信息进行添加，试题基础信息包括题干、题目分类、分值和参考答案；所述删除试题支持对已添加的试题进行删除；所述编辑试题支持对已添加的试题基础信息的题干、题目分类、分值和参考答案进行编辑；所述查询试题支持对试题进行关键字模糊查询；所述批量导入试题支持按照excel表的格式进行试题的批量导入；所
述组卷包括选题组卷和随机组卷；
19.所述学习统计支持对学员学时学分统计和学员课程完成情况统计；所述成绩统计支持查询学员考试情况，包括具体成绩查询和统计情况；所述训练统计支持对单个学员训练和班组训练的薄弱环节以及分队训练薄弱项提供统计图表。
20.进一步地，所述成绩记录包括查看理论、训练考试成绩及成绩统计情况，成绩统计维度包括个人训练的薄弱环节和分队训练薄弱项；所述学习记录包括基于统计分析模块中学员的数据进行统计分析。
21.进一步地，所述传动系统模型按照真实机械结构比例建模，包括齿轮的模数、转矩、传动比、轴间夹角、角速度和传力点；所述行驶系统模型包括车架、车桥和车轮；所述转向系统模型包括内轮转角参数、外轮转角参数、转弯半径参数、轴间距参数、转向系角传动比参数和转向器传动效率参数；所述制动系统模型包括液压原理、气压原理和机械原理；所述电气系统模型包括电源系统、启动系统、点火系统、照明系统、信号系统和仪表系统；所述动力系统模型包括燃油系统、冷却系统、进排气系统和润滑系统。
22.进一步地，所述系统的架构采用以标准仿真网络通迅架构dds为基础的分布式软件体系架构；所述系统的硬件架构包括计算机主机、移动终端和态势感知设备，以及vr、ar或mr设备，计算机主机和移动终端，以及vr、ar或mr设备用于向学员、教师和管理员提供相应的使用和操作界面；计算机主机、移动终端和态势感知设备，以及vr、ar或mr设备采用tcp/ip协议进行数据传输来保证数字孪生拆装训练、数字孪生维修保养、现场真实状态融合的多人协同训练业务需求，以及教员端对学员训练过程的实时监控。
23.本发明还提供了一种采用上述的基于数字孪生的虚拟维修训练系统的方法，包括：
24.学员从学员端口登录，通过理论学习子系统对各种维修资料进行学习，完成基本的理论培训，通过数字孪生训练子系统进行结构和原理展示学习，以动态模拟和虚拟交互形式进行操作技能训练，并能够查看个人训练统计；
25.教员从教员端口登录，通过理论学习子系统添加相关教材为学员授课，同时教员提供资源管理功能，实现学习素材资源存储、管理、浏览和播放，上传常用格式的课件、教材和素材，通过训练考核子系统维护更新试题库，并能够获取统计数据；
26.管理员从管理员端口登录，进行协同训练管理和训练监控，以及所有基本数据的管理。
27.与现有技术相比，本发明的系统包括理论学习子系统、数字孪生训练子系统、训练考核子系统和孪生数据子系统，利用数字孪生技术，开发包含底盘发动机、传动系统、行驶系统、制动系统、转向系统、电气系统的重型车辆底盘维修训练系统。同时利用数字孪生技术搭建半实物训练系统，通过虚拟现实手套和传感器等，记录实际维修过程中的位置、温度等数据，将实物的故障维修过程反馈到数字孪生训练系统中，克服了实际车辆底盘故障维修训练少，难复现的缺点，可以使维修人员通过该训练系统反复训练，打磨提高维修技术，满足了重型车辆底盘的教学需求和装备实际维修需求。结合车辆“会操作使用、会检查、会维护、会排除一般故障”基本要求，以典型重型车辆基层维修为基础，采用数字孪生技术，通过融合理论考核和维修训练资源，依据日常检查保养规范，通过动态模拟和交互形式进行分布态势感知，开展重型车辆各子系统和重要总成的日常检查、维护保养的内容、步骤、工
艺要求等操作技能训练，通过融合理论考核和维修训练资源，拓展维修训练培训方法手段，为提升重型车辆维修训练效果提供技术支持。
附图说明
28.图1是本发明的系统示意图；
29.图2是本发明的系统架构图；
30.图3是本发明的硬件架构图。
具体实施方式
31.下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.本发明提供了一种基于数字孪生的维修训练系统，特别是针对重型车辆底盘虚拟维修训练，结合车辆维修保障要求构建了典型重型车辆虚伪维修训练考核一体化系统，可以有效解决维修训练考核不一致的难题。同时还可以推广到其他类型的车辆基层级维修保障训练时间。具体参见图1，主要包括理论学习子系统、数字孪生训练子系统、训练考核子系统和孪生数据子系统。
33.其中理论学习子系统，由理论学习管理模块和课程管理模块组成。采用浏览器/服务端与客户端/服务端相结合的模式，浏览器/服务端部分用于学员随时随地在可用访问理论学习资源服务器的网络环境下，通过web浏览器即可学习系统的学习素材资源。
34.理论学习管理模块，主要包括课件管理、教材管理、素材管理、统计分析。
35.课件管理，支持输入课件名称，课件简介等信息完成对课件的增删改查。
36.教材管理，支持输入教材名称，教材简介等信息完成对教材进行增删查改。
37.素材管理，支持输入素材名称，素材简介等信息完成对素材进行增删查改。
38.统计分析，支持对学员的培训与学习数据进行统计分析，将学员以个人或班组的图表形式进行统计展现，包括学员学时学分统计、学员课程完成情况统计等。
39.课程管理模块，主要包括新建课程、修改课程、删除课程、课程查询。
40.新建课程，支持输入课程名称，课程简介，教学内容、学习课时等完成对课程的创建。在教学内容里实现与学习管理中的课件、教材、素材的关联。
41.修改课程，支持对已建立的课程基础信息进行修改。
42.删除课程，支持对已建立的课程进行删除功能。
43.课程查询，支持按课程名称、教学内容、学习课时等信息对已建立的课程进行查询。
44.数字孪生训练子系统，由孪生结构拆装训练模块、原理交互展示模块、孪生维护保养训练模块及孪生维修考核模块组成。主要功能包括示教、练习、考核模式。示教模式中，主机作为授课主机发起授课模式；练习模式中，进行自主训练和团队协同训练。考核模式中，各被考核单机接受考核任务并记录训练考核过程，考核结束后，信息存入孪生维修考核模块数据库。
45.其中，孪生结构拆装训练模块，采用vr、pc形式用于对底盘进行拆装训练，由自由学习模式、引导训练模式和训练考核模式三种组成，根据拆装内容选择相应的工具，具备多种工具的选择和运用，可以进行单人训练及多人协同训练。
46.原理交互展示模块，通过vr、pc和移动终端形式使用结构与原理展示功能，能够可交互的清晰、灵活展示底盘整体、分系统、总成和典型部件的结构与相互位置关系；并通过交互式三维动画清晰展示底盘各系统、各总成与部件的工作原理。
47.孪生维护保养训练模块，根据重型车辆三级维护保养任务要求，采用vr、pc等形式用于对系统预置的典型故障，进行故障现象反应，并根据相应故障处理流程保养的内容选择相应的工具并运用进行处置。同时利用数字孪生技术搭建半实物训练系统，通过虚拟现实手套和传感器等，记录实际维修过程中的位移、温度等数据，将实际的故障维修过程反馈到数字孪生训练系统中，丰富孪生维护保养训练模块的故障库，提高了故障模型的逼真性。克服了实际车辆底盘故障维修训练少，难复现的缺点，可以使维修人员通过该训练系统反复训练同一故障，打磨提高维修技术。并且支持进行单人训练及多人协同训练。
48.训练考核子系统，由考试管理模块、题库管理模块、数字孪生训练考核模块和统计分析模块组成。
49.其中：考试管理模块，主要包括创建考试、配置试卷、发布考试、考试记录。
50.创建考试，输入考试名称、选择考试班级，完成考试信息的创建。
51.配置试卷，选择在题库管理中已创建好的试卷进行关联配置。
52.发布考试，选择考试日期及试卷、答卷时长等，发布成功后可将考试信息下推到学生端。
53.考试记录，查看到当前教员已创建的所有考试信息。
54.题库管理模块，主要包含添加试题、删除试题、编辑试题、查询试题、批量导入试题和组卷。
55.添加试题，支持对试题进行添加，包括试题基础信息包括题干、题目分类、分值、参考答案等。
56.删除试题，支持对已添加的试题进行删除。
57.编辑试题，支持对已添加试题的基础信息包括题干、题目分类、分值、参考答案进行编辑。
58.查询试题，支持对试题进行关键字模糊查询。
59.批量导入试题，系统支持按照excel表的格式进行试题的批量导入。
60.组卷，包括选题组卷和随机组卷。
61.数字孪生训练考核模块，主要根据维修训练过程完成情况打分。
62.统计分析模块，包含学习统计、成绩统计和训练统计。
63.其中，学习统计，支持对学员学时学分统计、学员课程完成情况统计等功能。
64.成绩统计，支持查询学员考试情况，包括具体成绩查询和统计情况。
65.训练统计，支持对单个学员训练和班组训练的薄弱环节，分队训练薄弱项，提供统计图表。
66.孪生数据子系统，由用户数据管理、孪生模型库、基本场景库、基本工具库和态势资源监测组成。孪生数据子系统是整体应用系统的支撑，系统提供了用户及用户学习、训练
和考核数据管理功能。
67.其中，用户数据管理，包括成绩记录、学习记录，具备用户管理、密码修改、权限管理功能。
68.成绩记录，可以查看理论、训练考试成绩及成绩统计情况。成绩统计维度包括个人训练的薄弱环节，分队训练薄弱项。
69.学习记录，可以基于统计分析模块动学员的数据进行统计分析，包括如学员学时学分统计、学员课程完成情况统计等。
70.孪生模型库主要包括传动系统模型、行驶系统模型、转向系统模型、制动系统模型、电气系统模型、动力系统模型。
71.其中，传动系统模型按照真实机械结构比例建模，主要包含齿轮的模数、转矩、传动比、轴间夹角、角速度、传力点，为仿真模拟奠定基础。
72.行驶系统模型，主要包括车架、车桥、车轮，模型主要突出车架主体结构，为系统显示呈现减轻压力。
73.转向系统模型，主要包括内轮转角参数、外轮转角参数、转弯半径参数、轴间距参数、转向系角传动比参数、转向器传动效率参数，为仿真展示奠定基础。
74.制动系统模型主要包含液压原理、气压原理和机械原理。
75.电气系统包含电源系统、启动系统、点火系统、照明系统、信号系统、仪表系统，采用“端到端”接线模式，整体展示工作原理。
76.动力系统主要包括燃油系统、冷却系统、进排气系统、润滑系统，完整再现内部构造，为工作原理制作奠定基础。
77.基本场景库主要包括实际厂房和作业场地模型；
78.基本工具库包括辅助维修配套设备工具类模型。
79.态势资源监测模块，主要包含通过态势感知设备获取车辆底盘维修实景实时监测数据，如：文档、音频、视频、特效等资源素材。
80.参见图2，基于数字孪生的维修训练系统的软件架构，采用以标准仿真网络通迅架构dds为基础的分布式软件体系架构设计。由装备档案数据库、维护保养流程库、应用操作流程库、故障及处置流程库和底盘仿真逻辑引擎构成应用支撑模块，应用操作规程、维护保养规程、故障处置规程等通过相应的流程编辑器写入相应的流程库，应用操作流程库、维护保养流程库、故障及处置流程库进入状态机，状态机驱动3d装备模型，同时底盘仿真逻辑引擎通过三维流程解本进行处理流程引导与交互训练，实现交互展示，进行装备认知学习，完成操作任务、保养工作及故障处理。装备档案数据库进行3d装备模型的装备状态采集，完成装备档案维护。
81.参见图3，基于数字孪生的维修训练系统的硬件架构，主要包括学员模拟训练使用的设备，包括pc计算机主机、移动终端和态势感知设备，以及vr、ar或mr设备，用于向学员、教师和管理员提供相应的使用和操作界面。移动终端可以是智能手机、pad等。vr、ar或mr设备、态势感知设备和pc终端设备采用tcp/ip协议进行实时高效的数据传输来保证数字孪生拆装训练、数字孪生虚拟维修保养、现场真实状态融合的多人协同训练业务需求，以及教员端对学员训练过程的实时监控。服务器包括数据服务器和应用服务器，数据服务器为数据管理子系统，进行各类数据存储和管理、ftp服务、考核数据记录和分析、以及用户及用户记
录信息等。应用服务器为训练管理和教学端，进行用户管理、理论学习与考试管理、虚拟训练与原理展示管理、考核评估及数据分析等。个人pc、移动pc、浏览器、vr、ar或mr设备以及平板等移动终端为实训端，进行理论学习和考试、虚拟结构拆装、交互原理展示、虚拟维修保养训练，以及虚拟实训考核等。
82.基于数字孪生的维修训练方法的主要操作步骤如下：
83.步骤1：用户登陆：分为学员、教员和管理员，分别在ie浏览器的地址栏中输入本系统所在的服务器地址，输出后将出现系统的登陆页面。
84.在学员端口学员通过理论学习模块对各种维修资料进行学习，完成基本的理论培训。自主学习的形式包括维修手册，教学视频及讲课ppt。
85.步骤2：孪生维修训练：孪生结构拆装训练模块，底盘模型构造复杂，其原理形式主要涵盖重型车辆机械原理、液压原理、电气原理主要采用展示方式。
86.孪生维修训练主要功能包括：仿真操作、知识点学习、步骤提示、注意事项、错误提示、操作提示、正确率、实训时长、错误详细信息等。
87.孪生维护保养：主要针对基层维修保障中的一般故障设置相关内容，依据日常检查保养规范，以动态模拟和交互形式，开展重型车辆各子系统和重要总成的日常检查、维护保养的内容、步骤、工艺要求等操作技能训练。主要包括油液与易损件更换，着重训练操作流程、技术规范和专用工具使用，提供故障处置孪生维修训练内容，建立交互式训练方案。
88.学员端在用户数据中心查看个人训练统计。
89.步骤3：孪生维修训练评估。
90.教员从教员端口登录，通过理论学习子系统可以添加相关教材为学员授课，同时为教员提供资源管理功能，能够实现包含文字、图片、视频、动画等形式的学习素材资源存储、管理、浏览和播放，可以上传常用格式的课件、教材和素材，维护更新试题库，并能够获取统计数据。
91.管理员和教练员从管理员端口登录，可以进行协同训练管理和训练监控，还可以进行所有基本数据的管理。
92.本发明结合训练大纲和基层级维修保障要求构建了典型重型车辆虚伪维修训练考核一体化系统，可以有效解决维修训练考核不一致的难题。依据日常检查保养规范，通过动态模拟和虚拟交互形式进行分布态势感知，开展重型车辆各子系统和重要总成的日常检查、维护保养的内容、步骤、工艺要求等操作技能训练。通过融合理论考核和维修训练资源，拓展维修训练培训方法手段，为提升重型车辆维修训练效果提供技术支持。同时还可以推广到其他类型的车辆基层级维修保障训练时间。
93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。